Оборудование для добычи нефти и газа

При работе ШСНУ энергия от эл. двигателя передается через редуктор к кривошипно-шатунному механизму, преобразующему вращательное движение вала редуктора через балансир с головкой в возвратно-поступательное движение колонны штанг. Связанный с колонной плунжер также совершает возвратно-поступательное движение. При ходе плунжера вверх нагнетательный клапан закрыт давлением жидкости, находящейся над плунжером, которая по колонне НКТ двигается вверх - происходит её откачивание. В это время впускной всасывающий клапан открыт и жидкость заполняет объем цилиндра насоса над плунжером. При ходе плунжера вниз всасывающий клапан закрывается, нагнетательный открывается, и жидкость перетекает в надплунжерное пространство.

Приводы штангового скважинного насоса

Привод ШСН состоит из силового органа, уравновешивающего устройства и собственно привода. Силовой орган предназначен для перемещения колонны штанг и может быть механическим, состоящим из системы рычагов, накатов, блоков; гидравлическим - с использованием гидро- и пневмоцилиндров. Собственно привод включает двигатель и передачу.

Выполнение функции создания оптимального режима работы приводного двигателя возлагается на уравновешивающее устройство, которое накапливает потенциальную энергию колонны штанг при ходе её вниз и отдает при ходе вверх. Мощность двигателя приводящего в действие неуравновешенную установку в 412 раз больше мощности двигателя установки полностью уравновешенной. Приводы ШСН делятся по max нагрузке в точке подвеса штанг, по длине хода точки подвеса штанг, по величине потребляемой мощности.

Штанговые скважинные насосы

ШСН приводится в действие колонной штанг и работает в условиях абразивной среды, химически активных веществ, больших температур. Основной задачей в области конструирования насосов является увеличение их надежности и повышение эксплуатационных показателей.

По способу крепления в колонне НКТ насосы делятся на невставные (трубные) и вставные. Цилиндр трубного насоса присоединяется к колонне НКТ и вместе с ней спускается в скважину. Цилиндр вставного насоса спускается внутри труб по колонне штанг и монтируется с помощью специального замкового устройства. Это позволяет менять насос без подъема НКТ.

Основные схемы трубных насосов

Основные схемы вставных насосов

Основные узлы насоса следующие:

Цилиндр - может быть изготовлен из одной трубы и собран из отдельных втулок. Каждая из конструкций имеет свои преимущества и недостатки: цилиндр из цельной трубы трудно изготовить, он дорогой, но зато удобен в эксплуатации. Цилиндр собранный из втулок - дешевле в изготовлении, однако в процессе эксплуатации его соосность нарушается.

Конструкция плунжеров скважинных насосов

а - гладкий; б - с кольцевыми канавками; в - с винтовой канавкой; г - пескобрей.

Плунжер - представляет собой трубу, наружная рабочая поверхность которой обработана с высокой чистотой и точностью.

Манжетный плунжер

1- корпус плунжера; 2 - резиновой кольцо; 3 - набухающие резиновые кольца.

Нагнетательный клапан. Основой конструкций нагнетательных и всасывающих клапанов является седло клапана и шарик. Седла клапанов изготавливаются из стали марок 30Х13, 35Х18 или твердого сплава ВК68.

Клапанные узлы скважинных насосов

а--насоса НГН1; б--насоса НГН2, в -- насоса НГНЗ; 1-- корпус, 2 -- стакан- 3 -- шарик, 4 -- седло; 5 -- наконечник-конус; г -- конструкция Костыченко

Шаровые клапаны

а - с буртом; б - с гладкой наружной поверхностью

Насосные штанги и трубы

Колонна штанг обеспечивает кинематическую связь силового органа с плунжером скважинного насоса. Колонна штанг работает в очень тяжелых условиях она подвергается действию циклически изменяющейся нагрузки: в верхней части пульсирующая, в нижней - знакопеременная, она погружена в корозиоактивную жидкость. Её боковые поверхности изнашиваются за счет искривления скважины и абразивного износа.



Конструкция насосных штанг и муфт

Требуемая долговечность колонны штанг достигается улучшением конструкции колонны, применением хороших технологий изготовления штанг, использованием прочных сталей, обеспечением легкого режима эксплуатации.

Расчет колонны штанг сводиться к определению величины и характера изменения нагрузки на них, выбора расчетной формулы соответствующей условиям работы штанг и определению допускаемых напряжений, обуславливающих надежную работу колонны штанг. расчет колонны штанг производится либо по эмпирическим формулам, либо по специально составленным таблицам, либо по номограммам. Насосные штанги выпускаются диаметрами: 12, 16, 19, 22, 25 мм. Средняя длина штанг 8м. Резьба штанг накатывается. Штанги и муфты делаются из Ст.40 для легких условий работы, для сложных условий - из легированных сталей с последующим поверхностным упрочнением.

Существуют трубчатые штанги. Их использование уменьшает металлоемкость внутрискважинного оборудования за счет исключения колонны НКТ, уменьшает пиковые нагрузки в точке подвеса за счет увеличения плавучести колонны штанг. Позволяет проведение некоторых технологических операций. Однако их производство сложнее и металлоемкость и стоимость больше. В ШСНУ применяются НКТ с гладкими и высаженными наружу концами групп прочности К, Е, Л, Н, на трубах и муфтах резьба -60⁰, конус 1:16.

Схема установки с трубчатыми штангами

1 -- канатная подвеска; 2 -- узел крепления штанг; 3 -- трубчатая штанга; 4 -- боковой отвод; 5 -- фланцевое соединение; 6 -- гибкий шланг; 7 -- коллектор

Оборудование устья насосных скважин

Оборудование устья насосных скважин предназначено для герметизации внутренней полости НКТ и эксплуатационной колонны, состоит:

Крестовик для подвески НКТ и герметизации затрубного пространства;

Устьевой сальник с шаровой головкой для уплотнения сальникового штопа скважин, эксплуатируемых штанговыми насосами.

Сальник устьевой

Лекция 5 «Оборудование для добычи НиГ»

Механический привод штанговых скважинных насосных установок

Типы механических приводов

Наибольшее распространение в промышленности получили механические приводы скважинного насоса. Известны индивидуальные механические приводы и групповые приводы для эксплуатации нескольких скважин.

Приводы первого типа включают двигатель, трансмиссию - преобразующий механизм и обеспечивают движение только одной колонны насосных штанг. В настоящее время почти все приводы ШСН относятся к этому типу.

Приводы второго типа служат для эксплуатации группы (240) скважин, расположенных близко друг от друга и имеющих сопоставимые параметры.

В индивидуальном механическом приводе трансмиссия уменьшает частоту вращения вала двигателя до числа оборотов, соответствующего числу двойных ходов точки подвеса штанг. По видам преобразующих элементов механические приводы делятся на 2 группы: балансирные и безбалансирные. В первых - возвратно-поступательное движение точки подвеса штанг достигается использованием качающегося рычага-балансира, который соединяется с выходным валом трансмиссии посредством кривошипно-шатунного механизма.

В безбалансирных приводах возвратно-поступательное движение точки подвеса штанг обеспечивается за счет использования механизмов с гибкими элементами (канаты или цепи).

Балансирные станки - качалки

Станки - качалки с двуплечным балансиром выполняются по кинематической схеме

Кинематическая схема станка-качалки с двуплечным балансиром при этом опора балансира ( ) находится между точками подвеса штанг ( ) и сочленения балансира с шатуном ( ).

Механические балансирные станки - качалки снабжаются грузовым или пневматическим уравновешивающим устройством. Существуют следующие способы размещения уравновешивающего груза: на балансире, на кривошипе, на балансире с кривошипом, на шатуне. Соответственно приводы называют: станки - качалки с балансирным, роторным, комбинированным и шатунным уравновешиванием. Действующими в настоящее время стандартами предусмотрено изготовление станков-качалок первых трех типов.



Способы механического уравновешивания двуплечных балансирных станков-качалок: а -- балансирное уравновешивание; б -- кривошипное (роторное) уравновешивание; в -- комбинированное уравновешивание; г -- уравновешивание с помощью ложной качалки; д --уравновешивание противовесом, вращающимся с двойной частотой; е --шатунное уравновешивание

Станки-качалки с одноплечным балансиром выполняются по кинематической схеме на которой расположена опора ( ) на закрепленном конце балансира, а точки соединения шатуна с балансиром ( ) - между соединением штанг с балансиром и опорой.

Кинематическая схема станка-качалки с одноплечным балансиром

Станки-качалки с одноплечным балансиром уравновешиваются грузовым или пневматическим аккумулятором. В первом случае груз может монтироваться на балансире, кривошипе или одновременно на балансире и кривошипе. Пневматическое уравновешивающее устройство выполняется в виде моноблока - пневмоцилиндрический гидрозатвор, рессивер, компрессор, масляный насос, КИП. В нашем хозяйстве станки-качалки с одиночным балансиром распространения не получили. В используемых конструкциях установок сочленение балансира с устьевым штоком колонны штанг обеспечиваются канатной подвеской, взаимодействующей с дуговой головкой.

Способы механического уравновешивания одноплечных балансирных станков-качалок а -- балансирное уравновешивание; 6 -- кривошипное уравновешивание (роторное); в -- комбинированное уравновешивание

Безбалансирные механические приводы

Наиболее близкой к таким установкам является станок-качалка в котором балансир и шатун заменяются канатом, переброшенным через шкив, причем один конец его соединяется с кривошипом, а второй - с устьевым штопом. Кривошипы безбалансирных станков-качалок имеют V-образную форму, обеспечивающую уравновешивание привода.

Способы пневматического уравновешивания балансирных станков -качалок а - с подвижным поршнем без гидравлического затвора; б - с подвижным цилиндром без гидравлического затвора; в - с подвижным поршнем и гидравлическим затвором; г - с подвижным цилиндром с гидравлическим затвором.

Безбалансирный станок - качалка

Безбалансирный длиноходовой станок - качалка

Особенности кинаметики балансирного станка - качалки

Механическая трансмиссия и четырехзвенный преобразующий механизм предопределяют однозначную связь между законами движения ведущего и ведомого звеньев. При этом каждое положение точки подвеса штанг характеризуется вполне определенными скоростями и ускорениями, которые зависят только от размеров или же от соотношения размеров отдельных звеньев трансмиссии, преобразующего механизма. К кинематическим особенностям станка-качалки относится влияние направления вращения кривошипа на скорости и ускорения точки подвеса штанг. при повороте кривошипа на один и тот же угол по часовой или против часовой стрелки ускорения различны и в первом случае меньше, чем во втором.

Отечественные станки-качалки выпускаются с соблюдением условия V_вн=V_н.

Усилия действующие в точке подвеса штанг станка-качалки

В процессе работы ШСНУ в точке подвеса штанг действуют постоянные и переменные нагрузки. Постоянные:

Вес колонны штанг в жидкости - Р_Ш.

Гидростатическая нагрузка -Р_Ж обусловленная разницей давлений жидкости над и под плунжером скважинного насоса.

Переменные:

Инерционная нагрузка Р_И обусловленная переменной по величине и направлению скоростью движения колонны штанг.

Вибрационная нагрузка Р_ВИБ обусловленная колебательными процессами в колонне штанг под действием ударного приложения и снятия гидростатической нагрузки Р_Ж на плунжер.

Силы трения, возникающие в результате взаимодействия колонны штанг и НКТ-Р_{ТР М}; обтекания пластовой жидкостью колонны штанг Р_{ТР Г}; взаимодействия плунжера и цилиндра скважинного насоса Р_{ТР ПЛ}; перепада давления в клапанах насоса Р_КЛ обусловленного их гидравлическим сопротивлением.

Все эти силы изменяются в течении одного цикла работы. В общем виде усилия в точке подвеса штанг при её ходе вверх Р_В и вниз Р_Н будут:

Р_В = Р_Ш +Р_Ж +Р_ИВ +Р_ВИБВ +Р_{ТР М} + Р_{ТР Г} +Р_ТРПЛ + Р_КЛВ

Р_Н = Р_Ш -(Р_ИН +Р_ВИБН +Р_{ТР М} + Р_{ТР Г} +Р_ТРПЛ + Р_КЛН)

Уравновешивание балансирных станков качалок

Основное назначение уравновешивающего устройства - накопление потенциальной энергии при ходе штанг вниз и отдаче её при ходе вверх. Потенциальная энергия превращается в работу, которая вместе с работой, совершаемой приводным двигателем, расходуется на перемещение точки подвеса штанги вверх. Задача уравновешивания привода скважинного насоса сводиться к определению таких параметров уравновешивающего устройства, которые в зависимости от условий работы установки позволили бы создать оптимальный режим работы двигателя и обеспечили бы приемлемые энергетические показатели установки.

Балансированный станок-качалку уравновешивают грузами, устанавливаемыми на балансире или кривошипе.

При выборе масс грузов в качестве критерия уравновешенности принимают следующие условия.

Работа, совершаемая двигателем при ходе штанг вверх и вниз, в течении двойного хода, постоянна:

U_В =U_Н

U_В =(Р_Ж+Р_Ш)S - GS

U_Н =-Р_ШS+GS

Приравняв правые части выражений, получим:

G=(Р_Ж+Р_Ш)/2

где G - вес уравновешивающего груза.

Таким образом, вес уравновешивающего груза должен быть равен сумме весов колонны штанг в жидкости и половине веса столба пластовой жидкости, находящейся над плунжером скважинного насоса.

Мощность привода балансирного станка-качалки.

Мощность двигателя обусловлена, прежде всего, полезной работой по подъему пластовой жидкости, совершаемой в единицу времени. Эту работу определяем:

при ходе штанг вверх

U_В =(Р_Ж+Р_Ш)S

при ходе штанг вниз

U_Н =-Р_ШS

Полезная работа за двойной ход:

U= Р_ЖS

Вес столба жидкости над плунжером скважинного насоса пропорционален площади его плунжера, поэтому затрачиваемая мощность будет:

N=Hd²nS

где n - число двойных ходов балансира в минуту;

H - высота подъема жидкости;

d- диаметр плунжера.

Штанговые насосные установки с гидроприводом

Одной из основных тенденций развития штанговых скважинных установок является увеличение длины хода точки подвеса штанг, что улучшает основные показатели установки, её долговечность и подачу. Однако увеличение длины хода различным образом влияет на изменение параметров её отдельных элементов: привода, колонны штанг, труб, скважинного насоса, устьевого оборудования.

Гидравлический привод может состоять из следующих блоков: силового органа, уравновешивающего устройства, блока привода с коммутирующим устройством, систем компенсации утечек реверсирования. Силовой орган соединяется колонной штанг со скважинным насосом. В гидроприводных установках используются те же способы уравновешивания, что и в механических. Принципиально эти установки отличаются способом передачи энергии от двигателя к силовому органу и уравновешивающему устройству.

В гидроприводных установках в качестве силового органа - узла для перемещения штанг, используют гидравлические цилиндры, а реже резервные гидромоторы.

Уравновешиваюшее устройство аккумулирует потенциальную энергию либо поднимаемого груза, либо сжатого газа, либо колонны штанг соседней скважины или кинетическую энергию маховика.

Блок привода обычно представляет собой двигатель, соединенный с валом силового насоа, объемного или гидродинамического действия. В непосредственной близости от него распределитель переключающий потоки рабочей жидкости от силового насоса к силовому органу в периоды его реверсирования или остановки.

В гидроприводе ШСН используются гидросхемы трех типов: открытая, закрытая и комбинированная. В приводе с открытой гидросхемой бак с рабочей жидкостью находится под атмосферным давлением.

В приводе с закрытой гидросхемой бак с рабочей жидкостью находится под давлением, соизмеримым с рабочим давлением насоса.

В приводе с комбинированной схемой часть узлов и аппаратов находится под постоянным давлением, обусловленным давлением сжатого газа в аккумуляторе, а часть под атмосферным давлением.силовым блоком управляет система реверсирования - либо гидравлическая, либо механическая.

Установки с пневматическим уравновешиванием и закрытой схемой гидропривода

Установки, с использованием в качестве уравновешивающего устройства гидропневматического аккумулятора, выполняются с гидроприводом по закрытой или комбинированной схемам.

Гидроприводные установки с закрытой схемой включают силовой орган - гидроцилиндр ( ), пневматический аккумулятор ( ), блок привода - силовой насос ( ) и распределительный золотник ( ), гидродавленческую систему реверсирования состоящую из кранов ( ), обратных клапанов ( , ) и регулируемого дросселя ( ), подключенного к золотнику ( ).

Установка работает следующим образом: при начальном положении поршня давление в полости золотника ( ) близко к атмосферному и жидкость направляется из аккумулятора на прием насоса и далее в нижнюю часть силового цилиндра. Поршень цилиндра вместе с колонной штанг перемещается вверх до тех пор, пока не пройдет мимо одного из верхних окон цилиндра, кран которых открыт. При этом жидкость из под поршневой полости через открывшийся верхний обратный клапан и дроссель поступает в золотник. Жидкость начинает поступать из цилиндра в аккумулятор. Ход цилиндра вниз будет продолжаться до тех пор, пока нижнее управляющее окно не соединится с надпоршневой полостью, после чего описанный процесс повторится.

Следует отметить, что простота этих установок кажущаяся, поскольку они должны включать в себя, кроме собственно гидропривода, системы компенсации утечек рабочей жидкости и стабилизации давления воздуха, каждая из которых состоит из целого набора механизмов, систем и аппаратов.

Установка с пневматическим уравновешиванием и комбинированной гидросхемой

Установка включает силовой орган - гидроцилиндр ( ), шток которого соединен с колонной штанг. Его нижняя полость соединена с верхней полостью верхнего промежуточного цилиндра ( ), а подпоршневая полость последнего с газовым аккумулятором ( ). Полости нижнего промежуточного цилиндра через силовой распределитель ( )попеременно соединяются с силовым насосом ( ) и баком ( ).

Установка с комбинированной схемой

Установка работает следующим образом: система реверсирования управляет силовым насосом, обеспечивая необходимую подачу жидкости и направление штока. При подходе к крайним положениям направление потока жидкости изменяется на противоположное. Давление азота в камере( ) подбирается таким, чтобы нагрузка на двигатель при ходе штанг вверх и вниз была бы постоянной. Несмотря на ряд недостатков: сложность конструкции, значительные габариты и массу, неудобства в обслуживании - установки с пневматическим уравновешиванием имеют боле высокие показатели чем балансирные, прежде всего заключающиеся в увеличении длины хода точки подвеса штанг. разработка и накопленный опыт эксплуатации этих установок позволили перейти к созданию компактного объемного гидропривода ШСН.

Установка с грузовым уравновешиванием

В установках с грузовым уравновешиванием в качестве аккумулятора энергии используется груз. Установка включает ферму, в верхней части которой располагается шкив ( ) с перегнутым через него канатом (или цепью). Шкив приводится в действие высокомоментным резервным гидромотором ( ), рабочая жидкость к которому поступает от силового насоса ( ) через распределитель ( ).

Установка с грузовым уравновешиванием

Установки с взаимным или групповым уравновешиванием

Установки этого класса предназначены для привода ШСН, спущенных в расположенные рядом скважины с близкими параметрами. На устье одной из скважин располагается силовой орган - цилиндр и силовой блок, на устье второй - только гидроцилиндр, служащий уравновешивающим устройством.



Привод с групповым уравновешиванием

Нижнее полости цилиндров ( ) и ( ) соединены трубопроводом и представляют замкнутый объем, количество жидкости в котором постоянно пополняется насосом ( ) системы компенсации утечки из бака ( ). Во время работы установки рабочая жидкость насосом ( ) через золотник ( ), направляется в верхние полости цилиндров ( ), ( ). Направления движения поршней регулируются системой реверсирования. При ходе левого поршня вверх - правый двигается синхронно вниз.

К достоинствам группового привода следует отнести возможность получения больших длин ходов точек подвеса штанг. к недостаткам - необходимость скважин с одинаковыми параметрами, снижение КПД установки при увеличении расстояний между скважинами и высокую металлоемкость в следствии массы трубопроводов.

Установки с динамическим уравновешиванием

В качестве уравновешивающего устройства применяется маховик. При движении штанг вверх энергия для подъема столба жидкости и колонны штанг подводится от электродвигателя и маховика. При ходе штанг вниз потенциальная энергия штанг посредством гидропривода передается маховику, который её запасает. Помимо этого при ходе штанг вниз эл. двигатель так же передает свою энергию маховику.

Привод с инерционным уравновешиванием

Неуравновешенные установки

Неуравновешенный привод ШСН характерен отсутствием уравновешивающего устройства. Это означает, что при ходе штанг вверх мощность двигателя затрачивается на подъем колонны штанг и столба жидкости, при ходе вниз двигатель работает вхолостую, а потенциальная энергия превращается в тепло.

Неуравновешенный привод

Гидроприводная штанговая насосная установка с уравновешиванием колонной насосных труб

Особое место среди гидроприводных установок занимают приводы с использованием колонны НКТ в качестве уравновешивающего груза, для чего колонна подвешивается к уравновешивающему цилиндру. Принципиальная схема установки обеспечивает компоновку всех узлов в виде моноблока, что в итоге исключает необходимость фундамента.

Принцип работы установки следующий: подаваемая насосом из бака жидкость через распределитель направляется попеременно в верхние полости штангового и трубного цилиндров. В результате поршни перемещают колонны штанг в противоположных направлениях. Сумма абсолютных перемещений штанг и труб соответствует ходу штанг относительно труб, т.е. плунжера относительно цилиндра скважинного насоса.

Уравновешивание установки достигается подбором такого соотношения длин ходов поршней цилиндров, при котором загрузка двигателя при ходе штанг вверх и вниз будет постоянной.

Схема установки с использованием НКТ в качестве уравновешивающего груза

Особенности кинематики и динамики уравновешивания установок с гидроприводом

Как отмечалось, особенностью гидропривода является отсутствие жесткой кинематической связи ведущего звена с точкой подвеса штанг. это приводит к тому, что скорости и ускорения перестают зависеть от положения точки подвеса штанг. эти же особенности характерны и для длинноходовых безбалансирных приводов. Особенности кинематики движения точки подвеса штанг заключаются прежде всего в наличии фаз установившегося движения, длительность которых достаточно велика в общем балансе времени двойного хода, приводящих к исчезновению в этот период инерционных усилий в точке подвеса штанг. уравновешивание гидроприводных установок необходимо для обеспечения эксплуатации установки с двигателем минимально возможной мощности.

Расчет уравновешивания гидроприводных установок заключается в определении параметров уравновешивающего устройства (давления в аккумуляторе, момента инерции маховика и т.д.) при котором будет обеспечен необходимый режим работы приводного двигателя. Уравновешенность установки достигается изменением соотношения ходов точек щтанг, подвеса и труб, т.е. соотношением эффективных площадей поршней штангового и трубного цилиндров, либо изменением плотности элементов внутрискважинного оборудования.

Мощность приводного двигателя установок

Мощность привода определяется полезной работой, производимой установкой в единицу времени, особенностями закона изменения усилия на ведомом звене преобразующего механизма, КПД наземной и подземной части установок.

При гидроприводе штанговых скважинных насосов мощность приводного двигателя определяется:

N=Q*P/_нп

где _н и _п - КПД наземной и подземной части установки;

Q - подача силового насоса гидропривода;

P - давление развиваемое силовым насосом при совершении полезной работы по подъему пластовой жидкости.

Величины Q и P определяются расчетным способом.

Расчет и конструирование гидроприводных установок.

Расчет и конструирование главных узлов установки проводится на основе окончательно принятых их параметров и характеристик. Он включает в себя выполнение гидравлических и прочностных расчетов, определение размеров отдельных деталей, входящих в узлы, при которых будет обеспечена их характеристика.

Литература

Молчановы «Машины и оборудование для добычи нефти и газа».

Лекция 6 «Оборудование для добычи НиГ»

Бесштанговые гидропоршневые насосные установки

Одним из основных недостатков рассмотренных ранее штанговых скважинных насосных установок является использование для привода скважинного насоса колонны штанг - элемента с низкой прочностью, малой жесткостью, малой износо и коррозийной стойкостью, со значительным собственным весом. Эти недостатки не позволяют эксплуатировать ШСНУ в глубоких направленных скважинах.

Для эксплуатации подобных скважин насосами объемного действия, его привод - объемный гидродвигатель возвратно-поступательного действия - устанавливают в непосредственной близости от скважинного насоса. Гидродвигатель приводится в действие потоком рабочей жидкости, закачиваемой силовым насосом, расположенным на поверхности.

Конструктивно гидропоршневая насосная установка (ГПНУ) представляет собой: скважинный насос и гидродвигатель, объединенные в один насосный агрегат, колонны насосно-компрессорных труб, блок подготовки рабочей жидкости и насосный блок. Назначение этих элементов: насосный блок преобразует энергию приводного двигателя (эл. двигатели, ДВС) в механическую энергию потока рабочей жидкости; гидропоршневой погружной насосный агрегат преобразует энергию рабочей жидкости; система колонн НКТ является каналами для рабочей и пластовой жидкости; а блок подготовки рабочей жидкости служит для очистки пластовой жидкости от газа, песка и воды перед использованием её в качестве рабочей в силовом насосе.

Гидропоршневые установки позволяют эксплуатировать скважины с динамическим уровнем до 4500 м, с max дебитом до 1200 м³/сут. при высоком содержании в пластовой жидкости воды (до 98%), песка (до 2%) и агрессивных компонентов.

Основные схемы гидропоршеневых насосных установок

ГПНУ различаются:

По типу принципиальной схемы циркуляции рабочей жидкости (открытая или закрытая);

По принципу действия скважинного насоса (одинарного, двойного действия или дифференциальный);

По принципу работы гидродвигателя (дифференциального или двойного действия);

По способу спуска погружного агрегата (спускаемые по колонне НКТ - фиксированные или свободно сбрасываемые в скважину);

По числу ГПНА, обслуживаемых одной наземной установкой (индивидуальные или групповые).

Рассмотрим основные особенности установок.

Тип принципиальной схемы циркуляции рабочей жидкости предопределяет способ возврата рабочей жидкости на поверхность. В установках с закрытой схемой, жидкость после совершения ею полезной работы из гидродвигателя по отдельному каналу поднимается на поверхность. Продукция пласта, выходящая из скважинного насоса, поднимается по своему отдельному каналу.

В установках с открытой схемой, жидкость выйдя из гидродвигателя, смешивается с жидкостью выходящей из скважинного насоса и поднимается по общему каналу.

Недостатком первой схемы является большая металлоемкость, поскольку от устья к погружному агрегату необходимо спустить три герметичных трубопровода. Достоинством этой схемы являются незначительные потери, определяемые лишь утечками из системы привода.

Установки с открытой схемой обладают меньшей металлоемкостью, т.к предполагают каналы только двух потоков жидкости - сверху вниз - рабочей, и снизу вверх - смеси рабочей и пластовой. Недостатком этой схемы является необходимость обработки большого количества рабочей жидкости.

Принципиальные схемы гидропоршневых насосных установок

В каждой из них двигатель ( 1 ) приводит в действие силовой насос ( 2 ), который по колонне труб ( 3 ) подает рабочую жидкость к двигателю ( 4 ) гидропоршневого агрегата. Скважинный насос ( 5 ) забирает пластовую жидкость из скважины и по колонне труб ( 6 ) направляет её вверх. В установке с открытой схемой рабочая жидкость из мотора поднимается на поверхность по колонне труб ( 6 ), а в установке с закрытой схемой - по отдельнгой колонне ( 7 ).

По принципу действия скважинного насоса ГПНА существующие конструкции можно разделить на группы с насосами одинарного (а), двойного (б) и дифференциального действия (в).

Схемы насосов погружных агрегатов

В агрегатах одинарного действия шток с двумя поршнями совершает возвратно-поступательное движение в результате попеременной подачи жидкости из напорного трубопровода в полости ( 3 , 4 ). Жидкость распределяется золотниковым устройством. В результате в насос одинарного действия при ходе поршня вверх пластовая жидкость через всасывающий клапан ( 1 ) попадает в полость ( 6 ), а при ходе поршня вниз вытесняется через нагнетательный клапан ( 2 ) в напорный трубопровод. В агрегатах двойного действия при перемещении поршня насоса вверх пластовая жидкость попадает через клапан ( 1 ) в полость и вытесняется из полости ( 5 ) через клапан ( 2 ).

При ходе поршня вниз пластовая жидкость вытекает из полости ( 6 ) через клапан ( 2 ) и поступает в полость ( 5 ) через клапан ( 1 ). В агрегатах с насосом дифференциального действия поршень в насосе выполнен с расположенным в нем нагнетательным клапаном ( 2 ). При ходе поршня вниз нагнетательный клапан ( 1 ) закрыт, из полостей ( 5 , 6 ) в напорный трубопровод вытесняется объем жидкости, равный объему штока, находящегося в полостях. При ходе поршня вверх, нагнетательный клапан ( 2 ) закрыт, а всасывающий ( 1 ) открыт. В результате пластовыя жидкость вытесняется из полости ( 5 ) в напорный трубопровод и поступает в полость ( 6 ).

По принципу действия гидродвигателя ГПНА различаются дифференциального или двойного действия. Двигатель работает следующим образом: рабочая жидкость поступающая сверху непрерывным потоком, поступает во внутреннюю полость агрегата через отверстия в верхней части корпуса. Посредством золотника и системы сообщающихся каналов жидкость направляется в полости над и под поршнем, обеспечивая его перемещение вверх и вниз.

По способу спуска ГПНА различаются : агрегаты спускаемые на колонне НКТ - фиксированные и так называемые свободные агрегаты. Первые жестко соединяются с колонной НКТ, что сопряжено с большими затратами времени. Для монтажа свободных агрегатов в нижней части труб устанавливается специальное седло, а на устье - ловитель и специальная обвязка, позволяющая изменить направление потоков в колоннах НКТ.

Помимо перечисленных отличительных признаков установки выпускаются различным конструктивным исполнением и взаимным расположением каналов для подвода и отвода жидкости от ГПНА. В качестве каналов могут использоваться специальные колонны НКТ либо внутренняя полость эксплуатационной колонны, а относительно друг друга колонны могут располагаться концентрично или же параллельно. В зависимости от типа гидравлической схемы установки и типа ГПНА конструкции нижней части внутрискважинного оборудования могут быть различными.

Использование ГПНА в сочетании с закрытой схемой усложняет внутрискважинное оборудование, т.к. требует дополнительного канала для рабочей жидкости.

В состав наземного оборудования установок входят: силовой насос с приводом, оборудование устья скважины и блок очистки рабочей жидкости. Наиболее ответственной частью наземного оборудования является силовой насосный агрегат. Как правило применяются 3^х -5^ти плунжерные горизонтальные или вертикальные насосы мощность привода которых от 14 до 300 кВт, развиваемое давление до 35 МПа.

Наземный агрегат может применятся как для привода одного ГПНА, так и для нескольких, расположенных в различных скважинах.

Блок подготовки рабочей жидкости имеет параметры, обусловленные прежде всего, типом гидравлической схемы установки: открытой или закрытой. В качестве рабочей жидкости используют сырую нефть, после того как из неё удалены газ, вода и абразив. Схема простейшей установки для подготовки рабочей жидкости включает трёхфазный сепаратор, отделяющий свободный газ и воду от нефти и буферную ёмкость для хранения и отстаивания нефти.

Гидропоршневые НУ относятся к группе сложных комплексов расчеты и принципы конструирования которых сложны. Создание новых установок ведется на основании опыта эксплуатации и на базе лабораторных и промысловых эксперементов.

Интенсивное развитие способа добычи нефти ГПНА обусловлено высокой эффективностью его применения в осложненных условиях, на месторождениях разрабатываемых посредством наклонно-направленных скважин глубиной до 4500 м. с удалением забоя от устья в горизонтальном направлении до 2500 м. в настоящее время выпускают ГПНА более 60 типоразмеров.

Бесштанговые центробежные и винтовые электронасосные установки

Необходимость увеличения отбора жидкости до 500700 м³/сут. из скважин средней глубины подвески 10001300 м. привела к применению для этой цели центробежных насосов. Эти насосы не требуют уменьшения промежуточных передач для уменьшения частоты вращения вала по сравнению с частотой вращения приводного двигателя, у них отсутствуют периодически работающие нагнетательные и всасывающие клапаны, нет пар трения, детали которых движутся возвратно-поступательно.

В установке погружного центробежного насоса первичный двигатель располагается в скважине в непосредственной близости от многоступенчатого центробежного насоса. Это позволяет уменьшить длину механической трансмиссии и передать насосу значительные мощности (до 150 кВт). Эл. двигатель и насос объединяются в один агрегат подвешенный к колонне НКТ. Вдоль колонны НКТ проходит кабель, по которому эл.энергия подводится к двигателю.

Установка погружного центробежного насоса состоит из погружного агрегата, включающего специальный погружной маслозаполненный эл. двигатель ( 1 ), протектор ( 2 ) и центробежный многоступенчатый насос ( 3 ).

Специальный кабель ( 4 ) прикрепленный к колонне НКТ ( 5 ) хомутами ( 6 ). С помощью устьевого оборудования ( 8 ), установленного на колонной головке эксплуатационной колонны ( 7 ), подвешена колонна НКТ. Рядом со скважиной устанавливается кабельный барабан ( 9 ) и автотрансформатор ( 10 ) со станцией управления ( 11 ).

Установка центробежного насоса

Центробежный насос обычно износостойкого или коррозионностойкого исполнения. Он представляет собой набор большого числа рабочих колес и направляющих аппаратов. Рабочие колеса установлены на валу, который опирается на подшипники, расположенные вместе с направляющими аппаратами внутри корпуса. Число ступеней насоса колеблется от 84 до 332 и если их не удается разместить в одном корпусе длиной 55,5 м. то их заключают в 2 или 3 корпуса.

Погружной электродвигатель представляет собой трехфазный асинхронный короткозамкнутый двигатель, внутренняя полость которого заполнена маслом. Он состоит из корпуса, внутри которого размещены статор и ротор. Вал ротора установлен на подшипниках, масло циркулирует внутри двигателя с помощью турбины, смазывает подшипники и отводит тепло от источника нагрева к корпусу, который, в свою очередь, охлаждается пластовой жидкостью.

Протектор служит для гидравлической защиты эл. двигателя от пластовой жидкости и обеспечивает компенсацию изменения объема масла при изменении его температуры.

Кабельная линия обеспечивает подвод эл. энергии к погружному двигателю. Она состоит из основного кабеля круглого сечения , соединенного с ним плоского кабеля и муфты кабельного ввода. Кабель круглого сечения располагается вдоль НКТ от станции управления до погружного агрегата и проходящего мимо него кабеля.

Станция управления служит для включения и выключения агрегата, контроля режима его работы.

Трансформатор системы электроснабжения установок предназначен для повышения сетевого напряжения тока для необходимого рабочего напряжения эл. двигателя.

Оборудование устья скважины - обеспечивает удержание навесу колонны НКТвместе с агрегатом и кабелем, герметизацию затрубного пространства, установку приборов, отвод в манифольд продукции скважины и т.д.

Методика выбора насосной установки

В методику подбора положен ряд критериев, прежде всего экономический - обеспечение min затрат на добычу 1 т. при этом необходимо учитывать фактор надежности.

Помимо перечисленных критериев, вариант должен отвечать условиям освоения скважины заглушенной водой. Это условие необходимо при возбуждении скважины снижением уровня жидкости и созданием напора. Считается, что максимальный напор может превышать оптимальный в 1,21,5 раза.

В первом приближении типоразмер насоса, а он в дальнейшем определяет параметры всех остальных узлов, можно выбрать из условия соответствия его подачи и напора, требуемых по условиям эксплуатации скважины.

Винтовые электронасосы

Существенным недостатком центробежных насосов является низкая эффективность при работе в скважинах с дебитами ниже 60 м³/сут. и с маленьким диаметром эксплуатационных колонн. Электровинтовые насосы скомпонованы аналогично УЦЭН, но вместо гидродинамического центробежного насоса используют объемный - винтовой насос.

Принцип действия винтовых насосов заключается в том, что винт насоса и его обойма образуют по всей длине ряд замкнутых полостей, которые при вращении винтов передвигаются от -приема насоса к его выкиду. В начальный момент каждая полость сообщается с областью приема насоса, при продвижении вдоль оси насоса её объем увеличивается, заполняясь перекачиваемой жидкостью, после чего становится полностью замкнутым. У выкида объем полости сообщается с полостью нагнетания, постепенно уменьшается, а жидкость выталкивается в трубопровод. Винтовые насосы могут быть с несколькими или с одним винтом.

У одновинтового насоса замкнутая полость образуется одним металлическим винтом и резиновой обоймой.

Винт имеет однозаходную плавную нарезку с весьма большим отношением длины винта к глубине нарезки (1530). Обойма насоса имеет внутреннюю поверхность соответствующую двухзаходному винту, у которого шаг винтовой поверхности равен удвоенному шагу винта насоса. Винт вращается вокруг своей оси по окружности с радиусом равным её эксцентриситету. Для увеличения долговечности насоса винт изготавливают из стали с покрытием хромом, обойму - из маслотермостойкой резины с высоким сопротивлением абразивному изнашиванию.

Винтовой насос подвешивается в скважине по НКТ вместе с протектором и эл. двигателем и токоподводящим кабелем. Все элементы эл. привода у одновинтового насоса такие же, как и у центробежного насоса. Одновинтовые насосы для добычи нефти, расчитаны для подачи 40, 80, 100 м³/сут. и напором 800 и 1400 м. для применения в 146 и 168 мм колоннах. КПД насосов в пределах 0,40,7. Вязкость нефти не уменьшает КПД. Насосы работают от двигателей с 28003000 об/мин.

Схема винтового скважинного насоса

Лекция 7 «Оборудование для добычи НиГ»

Структура подземного ремонта и освоения скважин. Классификация применяемого оборудования

Современная техника разработки нефтегазовых месторождений и эксплуатации скважин не обеспечивает долговечности собственно скважины и спущенного в неё оборудования в течении срока жизни месторождения. За время эксплуатации, как сама скважина, так и её эксплуатационное оборудование неоднократно отказывают. Для ликвидации подобных ситуаций становится необходимо выполнять работы, обычно называемые подземным ремонтом скважин.

Обеспечение работоспособности оборудования, спущенного в скважину для её эксплуатации, т.е. оборудование для подъема пластовой жидкости или газа, относится к текущему ремонту скважин. Работы по восстановлению ствола скважины, её фильтра, устьевой части скважины, работы по изоляции подошвенных вод пласта и его прифильтровой зоны; работы связанные с переходом на эксплуатацию нового горизонта, по забуриванию новых стволов принято называть капитальным ремонтом скважины.

Текущий ремонт скважин - самый массовый и в то же время самый тяжелый и трудоемкий.

Капитальный ремонт скважин хотя и не очень массовый (по объему в 10 раз меньше текущего) отличается значительной продолжительностью. Применяемый в настоящее время комплекс технических средств для ремонтных процессов велик по номенклатуре и отличается исключительным многообразием типов. Это объясняется разнообразием операций, составляющих процессы. Поэтому для изучения комплекса технических средств необходима их классификация и систематизация.

Пооперационная структура процессов ремонта и освоения скважин

Процесс текущего ремонта скважин независимо от его назначения состоит из транспортных, подготовительно-заключительных, спуско-подъемных, технологических операций.

Целью транспортных операций является доставка комплекса средств выполнения ремонта к скважине и от неё. Цель подготовительных операций - подготовка скважины и приустьевой зоны к выполнению СПО, для подъема из скважины оборудования и его спуска в скважину, а так же подготовка к выполнению технологических операций. На выполнение технологических операций в цикле текущего ремонта тратиться 0,050,3 всего времени. Совершенно особое значение по влиянию на трудоемкость и суммарные затраты времени текущего ремонта в целом имеет группа спуско-подъемных операций. Эта группа операций как и технологические наиболее специфична только в нефтегазодобывающей промышленности.

Особенностью капитального ремонта скважин является необходимость в целом ряде случаев выполнять операции, аналогичные операциям, осуществляемым при сооружении скважин, т.е. транспортировку и монтаж буровой установки, и все остальные операции по проводке, закачиванию и освоению скважины.

Пооперационная структура процесса освоения скважин значительно проще структур подземного ремонта. Анализ показывает, что во всех трех процессах выявляются операции - аналоги. Например - СПО, транспортные, подготовительно - заключительные работы. Выявление операций - аналогов в разных процессах способствует созданию для их выполнения однотипных унифицированных машин, оборудования, инструмента и средств механизации, резко повышая тем самым их эффективность.

Классификация оборудования для текущего и капитального ремонта и освоения скважин

Оборудование для текущего ремонта скважин состоит из спуско - подъемного, технологического и транспортного.

Спуско-подъемное - подъемники и агрегаты, инструмент, средства механизации, средства автоматизации. Технологическое - промывочные агрегаты, депарафинизационные агрегаты, тартальное оборудование. Транспортное оборудование - транспортные базы колесные, гусеничные, плавучие, на воздушной подушке.

Оборудование для капитального ремонта скважин состоит из:

Агрегатированного оборудования (установки);

Инструмента для внутрискважинных работ (долота, трубы, ловильный инструмент);

Инструмента для СПО (элеваторы, ключи);

Неагрегативного компануемого оборудования (вышки, насосы, роторы, талевые системы, подъемники).

Главное отличие техники капитального ремонта скважин от техники текущего заключается в широком использовании комплекса бурового оборудования. Оборудование применяемое при обеих видах ремонтов отличается большим числом и разнообразием назначения и специфика работ потребовала создания самостоятельных служб текущего и капитального ремонта скважин.

Спуско-подъемные операции при текущем и капитальном ремонтах и освоении скважин.

В отличии от СПО, при бурении скважин, где его продолжительность не превышает 510% времени строительства скважин, СПО при текущем ремонте как по времени, так и по затратам труда является его основой. Объемы работ СПО при капитальном ремонте и освоении скважин во много раз меньше, чем при текущем ремонте. В отличии от СПО при бурении, капитальном ремонте и освоении скважин, при текущем ремонте объектом этих операций кроме НКТ являются так же насосные штанги, токонесущие кабели, гибкие (наматываемые) трубы, штанги и канаты. СПО представляют собой циклические повторяющиеся операции. Число циклов при спуске и подъеме равно. Спуск и подъем гибких наматываемых колонн труб и штанг, а также токонесущего кабеля не превышает 5% от всего объема работ. В общем виде время затрачиваемое на подъем колонны будет:

T_П=kt

где k - число свечей в колонне;

t - среднее время подъёма одной свечи.

Затраты времени на спуск и подъем колонны труб или штанг будут зависеть от целого ряда факторов: от скорости подъема колонны, от мощности привода подъемника, от трудоемкости выполнения остальных операций, от длины свеч, от технологии выполнения СПО.

Технология спуско-подъемных операций

Многие годы СПО выполнялись в определенной последовательности с одинаковыми приемами и содержанием операций. Затем появились новые способы, отличающиеся уровнем механизации и степенью совмещения разных операций по времени.

Сопоставление технологий СПО показывает, что предпочтительней использование совмещения операций с максимальной их механизацией и автоматизацией. В этом случае затраты труда и времени минимальные. Технология работы с непрерывными трубами и штангами обеспечивает наибольшую скорость подъема (спуска) колонны и резкое упрощение как технологии СПО так и оборудования для их выполнения. Преимуществом последнего является непрерывность подъема или спуска НКТ или штанг при постоянной скорости. Это исключает гидравлические удары, разрушающие ствол, прифильтровую зону скважины, пласт. Исследования показали, что увеличение длины свечи уменьшает трудоёмкость спуска - подъема и ускоряет его. На этом основании возникла тенденция увеличения длины свечи увеличением числа составляющих её труб. Это привело к увеличению высоты вышек и существенным изменением в конструкции узлов подъемников. Для определения эффективности этого направления были выполнены исследования которые показали:

При высокой степени совмещенности операций увеличение длины свечи ускорения спуско-подъемных операций почти не дает.

Без совмещения операций эффект от увеличения длины свечей существенный. Однако уже при n=3 приращение эффекта резко уменьшается. Увеличение длины свечи приводит к соответствующему увеличению габаритов основных узлов подъемника, его массы. Это ухудшает их монтажеспособность, транспортабельность.

Отсюда следует, что в районах с наиболее тяжелыми условиями транспортировки оборудования целесообразно применять агрегаты рассчитанные на применение свечей с малой длиной и для районов с хорошими условиями транспортирования - на большую длину свеч.

Трудоемкость спуско-подъемных операций

Основное внимание исследователей, конструкторов, производственников в течении длительного времени было сосредоточено на совершенствовании подъемника, его привода, трансмиссии, лебедки талевой системы, вышки. В результате подъемники превратились в мощные и сложные агрегаты. Совершенствованию других операций уделялось мало внимания. В результате возникло положение, при котором темп спуско-подъемных операций перестал увеличиваться, а трудоемкость не снизилась. Отсюда был сделан вывод, что главные резервы сокращения затрат времени и труда на СПО заложен в остальных операциях, на время выполнения которых качество подъемника почти не влияет.

Исследования показали необходимость уделить внимание совершенствованию оборудования и инструментов для выполнения остальных операций и комплексному подходу к совершенствованию техники СПО.

Инструмент для спуско-подъемных операций

При существующем уровне механизации и используемых технологиях СПО, они выполняются при всех видах подземного ремонта и освоения скважин с использованием ручного инструмента. К этому инструменту относятся: трубные элеваторы и штропы, трубные ключи, штанговые элеваторы и штанговые ключи.

Элеваторы и штропы.

Элеваторы трубные предназначены для удержания на весу колонны труб при её подъеме или спуске, а так же для удержания отдельных труб или свеч. Элеватор - грузоподъемное устройство воспринимающее вес колонны труб и дополнительные нагрузки. Суммарная предельно допустимая нагрузка на элеватор называется его грузоподъемностью. Штропы, на которые подвешивается элеватор на талевый крюк служат промежуточным звеном между ним и талевым крюком. Штропы также относятся к грузоподъемным устройствам, а их грузоподъемность определяется аналогично грузоподъемности элеватора. Операции по зпрядке и снятию элеватора с трубы выполняются вручную. Следовательно, с точки зрения возможного сокращения времени выполнения операций массы элеваторов и штропов имеют решающее значение. Однако элеваторы и штропы используемые при подземном ремонте должны обеспечивать грузоподъемности до 100120 т. при этом массы их значительны и они конструктивно сложны с точки зрения безопасности. Таким образом налицо противоречие с одной стороны надежность и безопасность, с другой ускорение оперирования. Задача состоит в их оптимальной конструкции.

Элеватор работает вне помещения при температурах окружающей среды и находится в контакте с трубами покрытыми парафином, нефтью, водой поэтому конструкция и изготовление элеватора должны обеспечивать его надежность в эксплуатационных условиях.

Выпускаются четыре типа элеваторов: